Электромагниттік толқындар

Оқулықтық тірек

• Закирова Н.А., Аширов Р.Р. «Физика» (ЖМБ), 11-сынып, Арман-ПВ, 2020, 86–99, 180–184-б.
• Башарұлы Р., Шүйіншина Ш., Сейфоллина К. «Физика. 9-сынып», 9-сынып, Атамұра, 2019, 170–173, 185–187-б.

Негізгі ұғымдар

• Максвелл гипотезасы: айнымалы магнит өрісі құйынды электр өрісін, айнымалы электр өрісі магнит өрісін тудырады. Олардың бірлігі — электромагниттік өріс; оның кеңістікте таралуы — электромагниттік толқын (Максвелл, 1865 ж.; Герц тәжірибелері, 1887–1888 жж.).
• ЭМ толқын — көлденең: $\vec E\perp\vec B$, екеуі де таралу бағытына перпендикуляр.
• Вакуумдегі жылдамдығы $c=3\cdot10^8$ м/с; ортада $v=\dfrac cn$; $\lambda=cT=\dfrac c\nu$.
• ЭМ толқындар вакуумде де таралады (механикалық толқынға орта керек).
• Модуляция — дыбыс сигналын жоғары жиілікті тасымалдаушы тербеліске қабаттастыру; детекторлау — кері процесс.

Теория

Пайда болу шарттары. Зарядтардың үдемелі қозғалысы ЭМ толқын шығарады. Қажет: 1) жоғары жиілік (ондаған МГц; 50 Гц жеткіліксіз); 2) ашық тербелмелі контур — антенна (вибратор). Антенна үшін $\lambda=2l$, $\nu=\dfrac{c}{2l}$.

Энергия және қарқындылық. Толқында электр және магнит өрістерінің энергия тығыздықтары тең: $w=\varepsilon\varepsilon_0E^2$. Қарқындылық $I=\dfrac{W}{St}=wc$ (Вт/м²); нүктелік көз үшін $I\sim\dfrac1{R^2}$. Сәулелену қарқындылығы $I\sim\omega^4$ — сондықтан жоғары жиілік қажет. Диэлектриктер толқынды жұтады және сындырады, өткізгіштер шағылдырады.

Радиобайланыс.

• Таратқыш: микрофон → ЖЖ генератор (тасымалдаушы жиілік) → модулятор → ЖЖ күшейткіш → антенна.
• Модуляция түрлері: АМ (амплитуда өзгереді; қарапайым, бөгеуілге төзімсіз) және ЖМ/FM (жиілік өзгереді; сапасы жоғары).
• Қабылдағыш: антенна → айнымалы сыйымдылықты контур (резонанс арқылы стансаны таңдау, $\nu_0=\dfrac1{2\pi\sqrt{LC}}$) → ЖЖ күшейткіш → детектор (диод) → ТЖ күшейткіш → динамик.
• УҚТ тек тура көріну бағытында таралады; серіктік және ұялы байланыста қолданылады. Сандық сигнал (АСТ, екілік код) бір арнада көп бағдарлама беруге мүмкіндік береді.

Радиотолқындар диапазоны.

Диапазон	Жиілік	Толқын
Ұзын	30–300 кГц	10–1 км
Орташа	0,3–3 МГц	1–0,1 км
Қысқа	3–30 МГц	100–10 м
Ультрақысқа	30–300 МГц	10–1 м

Электромагниттік шкала ($\lambda$ кемуі бойынша): радиотолқындар → инфрақызыл → көрінетін жарық → ультракүлгін → рентген → гамма. $\lambda$ кеміген сайын $\nu$ және квант энергиясы $E=h\nu$ артады.

• ИҚ ($8\cdot10^{-7}$–$2\cdot10^{-3}$ м): жылулық әсер; түнгі көру, пульттер, термография.
• УК (10–400 нм): химиялық, биологиялық әсер; D витамині, зарарсыздандыру, теріні күйдіреді.
• Рентген ($10^{-12}$–$10^{-8}$ м; 1895 ж. В. К. Рентген): жылдам электрондардың анодта тежелуі; $\lambda_{min}=\dfrac{hc}{eU}$.

Мысалдар

1. $\nu=5\cdot10^{14}$ Гц сәуленің вакуумдегі және судағы ($n=1{,}33$) толқын ұзындығы. $\lambda=6\cdot10^{-7}$ м; $\lambda'=\lambda/n\approx4{,}5\cdot10^{-7}$ м.
2. Ұзындығы 1,5 м антенна қандай толқын шығарады? $\lambda=2l=3$ м, $\nu=10^8$ Гц.
3. Тербеліс жиілігі 2 есе артса, сәулелену қарқындылығы? $2^4=16$ есе артады.
4. $n=1{,}5$ ортадағы жарық жылдамдығы. $v=2\cdot10^8$ м/с.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• ЭМ толқын бойлық болуы мүмкін деу: тек көлденең.
• ЭМ толқынға орта керек деу.
• Ортаға өткенде жиілік өзгереді деу: өзгеретіні — $v$ және $\lambda$.
• Шкала ретін шатастыру: ИҚ көрінетін жарықтан ұзын, УК — қысқа.
• Жабық контур жақсы сәуле шығарады деу: сәулеленуге ашық контур (антенна) керек.

Өзіңді тексер

1. ЭМ толқындарды теория жүзінде кім болжады? — Максвелл, 1865 ж.
2. Қабылдағышта стансаны таңдау қандай құбылысқа негізделген? — Резонансқа.
3. Детектор ретінде не қолданылады? — Диод.
4. Рентген сәулесі мен ИҚ сәуленің қайсысының жиілігі үлкен? — Рентгеннің.
5. ЭМ толқынның вакуумдегі жылдамдығы? — $3\cdot10^8$ м/с.